(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面を有する管本体と、
前記管本体の外面から延在しており、チャネルを画定し、その各々が前記管本体と一体であり、フィン上端部、フィンベース、並びに左フィン側壁および右フィン側壁を含む隣り合うフィンと、
前記フィン上端部とフィン底部との間における前記左フィン側壁から延在しかつ複数の交換可能な左上部羽根および左下部羽根を備える左羽根と、前記フィン上端部とフィン底部との間における前記右フィン側壁から延在しかつ複数の交換可能な右上部羽根および右下部羽根を備える右羽根とから構成される障壁であって、前記チャネルを、上部チャネルと下部チャネルとに分割し、前記左羽根および前記右羽根が、前記障壁を通る複数の穴部を画定する、障壁と、
前記フィン上端部における複数のくぼみと、を備え、
前記隣り合うくぼみの間に先端部が画定されており、前記くぼみにおける前記フィン上端部から複数の台が延在し、前記上部チャネルが開かれている、フィン付き管。
【請求項２】
前記穴部が、最大０．２平方ミリメートルの領域を有する、請求項１に記載のフィン付き管。
【請求項３】
前記左上部羽根および前記右上部羽根が、一列に配置され、前記左下部羽根および前記右下部羽根が、一列に配置される、請求項１に記載のフィン付き管。
【請求項４】
前記管本体の外面における前記チャネル内にチャネルマークをさらに備える、請求項１に記載のフィン付き管。
【請求項５】
前記管本体が内面を含み、前記フィン付き管が、前記管本体の内面におけるリッジをさらに備える、請求項１に記載のフィン付き管。
【請求項６】
外面を有する管本体と、
前記管本体の外面から延在しており、前記管本体と一体であり、フィン上端部、フィンベース、およびフィン側壁を含むフィンと、
前記フィン上端部と前記フィンベースとの間における前記フィン側壁から延在しており、その上面を有する複数の羽根であって、複数の交換可能な上部羽根および下部羽根をさらに備えており、前記上部羽根の上面が前記下部羽根の上面よりも前記管本体の外面から遠い羽根と、
前記フィン上端部における複数の先端部と、を備え、
前記フィンが、その間にチャネルを画定する隣り合うフィンをさらに備えており、前記フィン側壁が、左フィン側壁および右フィン側壁をさらに備えており、前記羽根が、前記左フィン側壁から延在する左羽根および前記右フィン側壁から延在する右羽根をさらに備えており、前記左羽根および前記右羽根が、前記チャネルを上部チャネルと下部チャネルとに分割する障壁を形成し、前記羽根が、前記障壁を通る穴部を画定し、隣り合う先端部が、前記フィン上端部におけるくぼみを画定し、前記くぼみにおける前記フィン上端部から台が延在する、フィン付き管。
【請求項７】
前記穴部が、最大０．２平方ミリメートルの領域を有しており、前記上部チャネルが開かれている、請求項６に記載のフィン付き管。
【請求項８】
前記管本体の外面における前記チャネル内にチャネルマークをさらに備える、請求項６に記載のフィン付き管。
【請求項９】
前記管本体が内面をさらに備えており、前記フィン付き管が、前記管本体の内面におけるリッジをさらに備える、請求項６に記載のフィン付き管。
【請求項１０】
フィン付き管を形成する方法であって、
（ａ）外面を有する管を提供することと、
（ｂ）前記管の外面に、フィン側壁、フィン上端部、およびフィンベースを含む螺旋状のフィンを形成することと、
（ｃ）前記フィン上端部と前記フィンベースとの間における前記フィン側壁に、複数の交換可能な上部羽根および下部羽根を形成することと、を含み、
前記フィンが、その間にチャネルを画定する隣り合うフィンをさらに備えており、前記フィン側壁が、左フィン側壁および右フィン側壁をさらに備えており、前記羽根が、前記左フィン側壁から延在しかつ複数の交換可能な左上部羽根および左下部羽根を備える左羽根、および前記右フィン側壁から延在しかつ複数の交換可能な右上部羽根および右下部羽根を備える右羽根をさらに備えており、前記左羽根および前記右羽根が、前記チャネルを上部チャネルと下部チャネルとに分割する障壁を形成し、前記羽根が、前記障壁を通る穴部を画定し、隣り合う先端部が、前記フィン上端部におけるくぼみを画定し、前記くぼみにおける前記フィン上端部から台が延在する、方法。
【請求項１１】
前記チャネルを、上部チャネルと下部チャネルとに分割するように、隣り合うフィンにより画定されるチャネルに交差する、前記羽根から形成される障壁を形成することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記（ｃ）が、最大０．２平方ミリメートルの領域を有する複数の穴部が前記障壁を通るように、前記羽根を、チャネル中心近辺に延在することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記管の外面におけるチャネルマークを形成することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
管の内面に螺旋状のリッジを形成することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェルおよび熱交換器に用いられる管等の伝熱用のフィン付き管に関する。
【背景技術】
【０００２】
フィン付き管は、長年伝熱に用いられてきた。熱は、熱い位置から冷たい位置に移動する。このため、より暖かい物質からより冷たい物質に熱が伝わることによって伝熱は達成される。また、気体が蒸気から液体に液化するときに熱が放出され、液体が液体から蒸気に揮発または蒸発するときに熱が吸収される。フィン付き管が伝熱に用いられる場合、より暖かい物資が管の内側または外側のいずれかに配置されて、そしてより冷たい物質がその反対側に配置される。通常、管は、より暖かい物質とより冷たい物質とを混合することなく伝熱を達成する。
【０００３】
冷却を目的として、冷却媒体は、シェルおよび管熱交換器を通って流れる冷却水等の液体、またはフィン付き管全体を吹く空気等の気体となる。同様に、熱媒体は、通常、液体または気体のいずれかとなる。フィン付き管は、伝熱速度が大きいため、関連する平滑管の代わりに用いられることがある。結果、所定の適用において、フィン付き管を備えるより小さい熱交換器は、関連する平滑管を備えるより大きな熱交換機と同程度の伝熱が可能である。フィン付き管の設計は伝熱速度に影響を与える。管は、特定の伝熱における適用それぞれに応じて設計されることがある。例えば、凝縮用のフィン付き管は、蒸発用のフィン付き管とは異なるように設計される。
【０００４】
先行技術の例は、管の内面に形成された螺旋状のリッジを備えるフィン付き管と、管の外面に形成されたフィンとを含む。管の外面における隣り合うフィンによりチャネルが画定され、このチャネルは、湾曲した「Ｕ」字形の底部または平坦な底部を有する。管の外側における蒸気凝縮および管の内側を流れる冷却液を利用する凝縮管として管が用いられる場合には、チャネルは凝縮液によって満たされる。凝縮液は、管を防護し、追加的な凝縮に必要とされる冷却を制限する機能を果たす。凝縮液は、フィンの側面を上昇するよりも、平坦なチャネルの底部に沿って広がる傾向がある。このため、平坦な底部が好ましい。これにより、凝縮液が自由に流れるフィンにおける表面積がより大きくなるため、伝熱効率が改善する。
【０００５】
また、フィン付き管は、フィン内に割れ目が形成される。これにより、２つのフィン間におけるチャネル内を流れる凝縮液が割れ目を通って流れて異なるチャネルに入る。別のフィン付き管は、フィンベースとフィン上端部との間における通路の一部に屈曲が形成されるように、外側の一部が屈曲したフィンを有する。これにより、管が凝縮液をより迅速に噴出するような追加的な角度を有するフィンを形成できる。凝縮液が、より迅速に管から噴出されると、伝熱効率が改善する。他のフィンは、フィンの先端に刻み目が形成され、刻み目の間に画定された先端部を備える。一部の例では、先端部は湾曲状に屈曲される。これにより、曲率およびフィンの角度をさらに大きくし、それ故、管が凝縮液をより迅速に噴出できる。
【０００６】
一部のフィン付き管は、フィンが管本体の物質から形成されないように、関連する平滑管にフィン物質を取り付けることによって形成される。これにより、伝熱効率を改善するように、伝熱に利用可能な領域を大きくするが、フィンと管との間における接合部が伝熱に対する多少の抵抗となる。管に取り付けられたフィンは、管から真っすぐに立つように管軸から放射状に延在できる。しかしながら、伝熱効率を改善するために、それらは種々の方法により湾曲または屈曲されてもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一部の管は、管の外面における蒸発用に設計される。例えば、フィンは管の外面に形成され、そして、刻み目はフィン上端部の中に押し込まれる。次に、屈曲したフィンが、２つの隣り合うフィン間におけるチャネルを覆う屋根を形成するように、フィン上端部が隣り合うフィンに接触するようにフィンは屈曲される。これにより、管の外面と２つの隣り合うフィンとの間に大部分が囲まれる空洞が形成される。フィン上端部における刻み目により、液体が空洞内に流れて、蒸気が空洞から放出できる。既存のフィン付き管における多くの設計が存在するが、伝熱効率を改善するさらなる変更が可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
伝熱用の管は、フィン間におけるチャネルと共に、管の外面から延在する隣り合うフィンを有する。フィンは、管本体と一体構造となるように、管の外面における物質から形成される。チャネルを、上部チャネルと下部チャネルとに分割する障壁を形成するように、フィンベースとフィン上端部との間における対向するフィンの側壁から羽根が延在する。障壁を通る複数の穴部が形成される。羽根は、上部羽根および下部羽根を含む。管は、管の内面に形成された螺旋状のリッジ、およびフィン上端部に形成されたくぼみを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、フィン付き管の断面を示す斜視図である。
【図２】図２は、フィン付き管を示す側面断面図である。
【図３】図３は、羽根の底面における管の外面を示す切り出し断面を含む管の外面を示す上面図である。
【図４】図４は、フィン上端部におけるくぼみを備えるフィン付き管の断面を示す斜視図である。
【図５】図５は、一つのフィンの断面を示す拡大斜視図である。
【図６】図６は、アーバーと内部サポートとの間における管の側壁の断面を含む、アーバーおよび内部サポートを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のフィン付き管は、伝熱、および第一に管の外面における相変化に用いられることが意図される。通常、伝熱管は、蒸発（沸騰）および凝縮の両方ではなく、そのいずれか用に設計される。本発明は、蒸発用および凝縮用の望ましい構造を含む。このため、管は、両方の種類の相変化に効率良く用いられる。管は、管内を流れる液体等の熱媒体または冷却媒体を用いて、管の外面における相変化を促進するように設計される。管は、シェルおよび管熱交換器の構成にしばしば利用される。しかしながら、他の適用も可能である。
伝熱原理
【００１１】
下記の説明を容易にするため、凝縮中における伝熱を記述する。同一の基本原理は、熱が移動する方向が反対になることを別にすれば蒸発にも適用できる。本実施例では、管内を通って流れる冷却液は、蒸気が管の外面において液化するときに凝縮熱を吸収する。管の外面におけるフィンの設計により、管の表面積を大きくし、管が凝縮液を噴出する能力を改善できる。これにより、伝熱効率を改善する。また、管における他の態様も伝熱効率を改善する。
【００１２】
管の外側における凝縮蒸気から管の内側における冷却液に伝熱する場合に、伝熱は、いくつかの異なるステップを検討される。同一の基本ステップは、管壁等の障壁を通じて、異なる温度を有する任意の２つの媒体間において伝熱する場合に適用できる。この記述は、管の外側における凝縮蒸気および管の内側における冷却液に関連するが、異なる適用も可能である。
【００１３】
管の外側における蒸気は、管の内側における冷却液に伝熱する。蒸気は、液化するときに、凝縮熱として言及される特定量の熱を放出する。反対に、液体は、気体に蒸発するときに、蒸発熱として言及される特定量の熱を吸収する。所定の物質の特定量において、凝縮熱の放出および蒸発熱の吸収を別にすれば、凝縮熱と蒸発熱とは等しい。
【００１４】
ここで管における凝縮について言及する。第一のステップにおいて管における蒸気から凝縮液に伝熱するように、通常、管の外面に凝縮液の層を配置する。次に、熱が凝縮液を通って伝わる。凝縮液は断熱材として機能するため、しばしば伝熱に対する抵抗となる。たとえ液体が熱の良導体であっても、凝縮液の層は、なおも伝熱に対する多少の抵抗となる。熱は、凝縮液を通って伝わった後に、凝縮液から管の外面に伝わる。凝縮液と管の外面との間には接合部が存在し、あらゆる接合部は、伝熱に対する多少の抵抗となる。
【００１５】
熱が管の外面に伝わると直ぐに、それは、管の外面から内面に伝わる。この伝熱を促進するために、通常、伝熱管は、伝熱を促進する物質または熱伝導体から形成される。熱の良導体として検討される一つの物質として銅が挙げられる。通常、本質的に液体が流れ難い管壁の内面に接触して液体の薄層が存在する。熱は、管壁を通って伝わった後に、管壁の内面との間の接合部を通って管の内面における隣り合う冷却液の層に伝わる。次に、熱は、管壁に隣接するこの液体の薄層を通って、管内の液体が流れる本体に伝わる。
【００１６】
管内における液体の流れをより乱流または迅速にすれば、管壁に隣接して留まる流れ難い液体の層がより薄くなる。それ故、管内における液体を混合またはかき混ぜる管の設計が有益となる。乱流は、層流と比較して液体の混合を促進し、そして、より大きい液体の流量が乱流を促進する。管の内面における特性もまた、管内における液体の乱流および混合を促進する。液体が管から流出するときに、管内を流れる液体に伝わった熱は放出される。
【００１７】
フィンが管と別個に構成されて、それから取り付けられる場合には、フィンと管との間に接合部が存在する。フィンと管とが、銅等の同一の物質または異なる物質により構成される場合でもこれは当てはまる。あらゆる接合部が、伝熱に対する多少の抵抗となる。フィンが管壁から形成される場合には、接合部は必要なく伝熱効率が改善される。この記述において、管壁から形成されたフィンは、管と一体であるとして参照され、伝熱に対する抵抗を最小にするために、フィンと管とが一体であることが好ましい。
【００１８】
管壁に亀裂または割れ目を形成することなく、フィンが管から形成されるように、可鍛性のある物質から管が形成されることが好ましい。亀裂または割れ目は、管の構造的な完全性および強度を制限し、さらに、伝熱に対する抵抗となる。これらの管は、通常、シェルおよび管熱交換器に用いられ、管の端部は、熱交換器の管板に付加される。可鍛性の管は、熱交換器の管板により容易に取り付けることができる。また、管は、伝熱を促進する物質から構成されることが好ましい。その可鍛性および伝熱特性を目的として、銅が、管の構成にしばしば用いられる。
特定の凝縮における検討
【００１９】
フィン付き管は、管の外面における凝縮液の収集に特に関連して設計を検討される。一部の管は、凝縮液の噴出において他の管よりも優れている。凝縮液がより迅速に噴出する場合には、管における凝縮液の層はより薄くなり、そして、伝熱に対する抵抗がより小さくなる。それ故、より迅速に伝熱することから、凝縮液をより迅速に噴出する凝縮管が好ましい。
【００２０】
管が凝縮液をより迅速に噴出することを可能にする一態様として、凝縮液を液滴に凝集する外面の機能がある。これは、外面における急な部分または湾曲部によってしばしば実行される。急な部分または湾曲部が事実上凹状である場合には、表面張力が凹状の表面特徴に凝縮液を収集するため、そこが、凝縮液の液滴用の蓄積場所として機能する。表面張力の効果により、凝縮液は、凸面の領域から離れるように移動する。このため、凝縮液は凸面を避ける。それ故、凸状の領域は、比較的に凝縮液が存在しないままであり、伝熱に対する抵抗がより小さくなる。管が凝縮液をより迅速に噴出するために、凹状の領域は、次に、管からより迅速に流出する液滴に凝縮液を凝集する。湾曲部または急な部分は、通常、凸状および凹状の両方の表面を異なる位置に形成する。
【００２１】
また、実際、凝縮管におけるより広い表面積が、伝熱をより迅速にする。フィンが管に形成されると、管の表面積が大きくなる。これにより、管全体における伝熱速度が大きくなる。管の表面積を大きくする管の外面における他の変形もまた伝熱速度を大きくする。
特定の蒸発原理
【００２２】
蒸発管は、凝縮管に好ましい特定の設計上の特性とは異なる設計上の特性を有する。蒸発管は、通常、凝縮液を噴出する能力に関連しないように、蒸発する液体に浸される。このため、蒸発を改善する要素には、泡の初期形成用の核形成部位の提供、液体を過熱する閉じられた領域の提供、および蒸気を放出でき、かつより多くの液体を導入する閉じられた領域に通じる穴部またはアクセスポートの提供が含まれる。
【００２３】
沸騰用の核形成部位は、非常に小さい不備または沸騰面における急な部分にしばしばなる。管における閉じられた領域は、フィン付き管が提供する伝熱面に実質的に囲まれるように、比較的に少量の液体を蓄える。このため、液体の容積あたりの伝熱面積が大きくなる。これにより、沸騰または蒸発を促進するように、液体は迅速に加熱される。蒸気は、液体よりも密度が小さいため、液体は蒸発するときに膨張する。蒸発する液体が閉じられている場合、それは蒸発するときに圧力を生成する。また、蒸気は、加熱されると膨張するため、閉じられた領域における蒸気の加熱によっても圧力が大きくなる。
【００２４】
閉じられた領域における小さい穴部は、少量の液体が蒸発後にそこから放出し、かつ蒸発により生じた圧力が、穴部から蒸気を押し出すことを可能にする。通常、穴部を通って液体を推し進めるまたは押し出すのに十分に大きな圧力差が存在しない限り、表面張力は、小さい穴部を通って流れる液体を減少させる。蒸気は、放出した後に小さい穴部を通る液体を引き込むような減少した圧力を閉じられた領域に残し、そして、プロセスが繰り返される。これは、液体を閉じられた領域内に引き込む、および蒸気を閉じられた領域から外に押し出す一種のポンプ作用として機能する。
フィン付き管本体
【００２５】
本発明の一実施形態におけるフィン付き管１０を、異なる観点において図１、図２および図３に示す。下記に示す実施形態に焦点を合わせて記述するが、この記述は限定されることを意図しない。当業者に明らかとなる別の実施形態もまた可能である。
【００２６】
管１０は、外面１４および内面１６を有する本体１２を含む。本体１２は、外面１４または内面１６における任意の形状または構造のための土台となる。本体１２は、伝熱を促進する物質から形成されることが好ましい。一般的に、金属は良導体であり、本発明の管の構成にしばしば用いられる。管１０の構成に用いられる金属として、通常、特に銅が挙げられる。しかしながら、アルミニウム、他の金属、種々の合金、および非金属物質を用いることもできる。管本体１２の完全性に損傷を与えることなく外面１４および内面１６における種々の構造が形成されるように、物質もまた可鍛性であることが好ましい。これにより、これらの構造が管本体１２から形成され、管本体１２と一体構造となる。
管フィン
【００２７】
管１０は、その外面１４に形成された少なくとも一つのフィン２０を有する。フィン２０は、通常、管本体の外面１４から周囲に突き出るまたは延在する。通常、フィン２０は螺旋状である。管１０は、管の端部と熱交換器管板との間の封鎖を容易に達成するような、フィン２０が全く存在しない端部をしばしば有する。通常、これらの端部は平坦である。通常、管１０の平坦な端部とフィン付きの部分との間に多少の転移領域が存在する。
【００２８】
単一の一つのフィン２０が、管１０のフィン付きの部分における全長の周囲を螺旋状に巻きついてもよい。複数のフィン２０が、管１０の周囲を螺旋状に巻きついてもよい。いずれの構成でも、管本体の外面１４の断面は、まるで管本体の外面１４から周囲に突き出る複数の隣り合うフィン２０が存在するかのように見える。管１０の軸方向に平行な方向から見た場合には、互いに隣り合うフィン２０の断面は、それらが管本体の外面１４の周囲を螺旋状に取り囲む同一のフィン２０である可能性があるという事実にもかかわらずに、隣り合うフィン２０として参照される。フィン２０は、管本体１２の物質から形成されるため、管本体１２と一体構造となる。
【００２９】
各フィン２０は、フィンベース２２、フィン上端部２４、およびフィン側壁２６を含むいくつかの部分を有する。フィンベース２２は、フィン２０が管本体の外面１４に接続される位置に配置される。フィン上端部２４は、フィンベース２２の反対側に配置されており、管１０の軸を基準としたフィン２０における最も高い位置である。フィン側壁２６は、左側壁２８および左側壁２８の反対側における右側壁３０を含む。チャネル３２は、管本体１２の一面における２つの隣り合うフィン２０の間に画定されており、チャネル中心３４を有する。チャネル中心３４は、チャネル３２を形成する２つの隣り合うフィン２０から等距離にある。フィン２０は、それが管本体の外面１４から外側に向かって実質的に真っすぐに延在するように、管本体１２とほぼ垂直である。この例では、フィン２０は管１０から放射状に延在する。また、フィン２０は、管本体の外面１４に対する他の角度において配置されてもよい。
【００３０】
フィン上端部２４は、図４および図５において最も良く確認できるように、複数のくぼみ３６を有する。くぼみ３６は、フィン上端部２４に対するくぼみ３６の角度により画定されるスキュー角３８を有する。スキュー角３８は、くぼみ３６がフィン２０に対して垂直であるか、またはくぼみ３６がフィン２０に対して異なる角度において固定されるかにより、０度から９０度までの範囲の角度となり得る。くぼみは、通常、０．１ミリメートルから０．５ミリメートルまでの範囲の深部４０を有する。隣り合うくぼみ３６の間に複数の先端部４２が画定される。くぼみ３６がフィン上端部２４に形成される場合には、くぼみ３６におけるフィン上端部２４から延在する台４４が形成される。フィン上端部２４がくぼみ３６および先端部４２と共に上下にうねるため、台４４はフィン上端部２４に配置される。複数の台４４が、フィン２０における追加的な曲率、角度、および表面積を画定する。
羽根
【００３１】
ここで図１、図２、図３および図５を参照すると、フィン２０は、フィン上端部２４とフィンベース２２との間におけるフィン側壁２６から延在するまたは突き出る羽根５０を含む。羽根５０は、フィン上端部２４またはフィンベース２２に近接するが、フィン上端部２４またはフィンベース２２には配置されずに、側壁２６の中央近辺に配置される。羽根５０は、フィン側壁２６に対してほぼ垂直か、またはフィン側壁２６に対する他の角度において固定される。羽根は、フィンベース２２から羽根の上面５４までの距離として画定される高さ５２を有する。羽根５０がフィン側壁２６に対して９０度以外の角度において固定される場合には、羽根の高さ５２は、フィンベース２２から羽根の上面５４における最高点までの距離として画定される。
【００３２】
羽根５０は、羽根５０がフィン側壁２６に接続される位置に羽根ベース５６を有する。羽根ベース５６は、通常、フィンベース２２とほぼ平行である。しかしながら、羽根ベース５６は、フィンベース２２に対して平行でない角度でもよい。羽根５０は、側壁２６からチャネル中心３４近辺まで延在する。隣り合うフィン２０からの羽根５０各々が、隣り合うフィン２０の間に画定されたチャネル３２内に到達するように、左側壁２８および右側壁３０の両方から羽根５０が延在する。チャネル３２内に延在する羽根５０は、チャネル３２を、下部チャネル６２および下部チャネル６２の上方における上部チャネル６０に分割する障壁５８を形成する。下部チャネル６２を覆う障壁５８は絶対的なものではないが、通常、そこから外側へかつそこの内部に自由に流れる液体を保護する閉じられた領域を提供する。羽根５０は、羽根５０が接触する位置に穴部６４を画定する。穴部６４は、液体の自由な流れを抑制するために、小さ過ぎない程度に、より大きい穴部６４よりもより小さい穴部６４が好ましい。羽根５０は、羽根ベース５６の反対側に羽根の末端部６６を有しており、穴部６４は、同一のチャネル３２内に延在する対向する羽根５０の末端部６６の間に配置される。
【００３３】
一実施形態では、一つのフィン側壁２６における羽根５０は、交換可能な上部羽根６８および下部羽根７０を含む。上部羽根６８の上面７２は、下部羽根７０の上面７４よりも位置が高い。このため、羽根５０は、城壁の上部における模様と同様の、単一のフィン側壁２６に沿って刻み目のある模様を形成する。羽根５０が管１０の上端部または底部に配置されるかにかかわらず、上部羽根６８の上面７２は、下部羽根７０の上面７４よりも管本体の外面１４から遠い。このため、上部羽根６８の上面７２は下部羽根７０の上面７４よりも位置が高い。フィン２０が左側壁２８および右側壁３０を有するため、羽根２０は、左羽根７５および右羽根７７としてさらに記述される。従って、上部羽根６８は、左上部羽根７６および右上部羽根７８としてさらに記述され、また、下部羽根７０は、左下部羽根８０および右下部羽根８２としてさらに記述される。それ故、障壁５８は、隣り合うフィン２０から延在する左羽根７５および右羽根７７から形成される。
【００３４】
左上部羽根８０および右上部羽根８２、並びに左下部羽根７６および右下部羽根７８は、一列に配置されているため、左下部羽根８０および右下部羽根８２の末端部６６各々は、チャネル中心３４近辺において互いに対向する。そして、左上部羽根７６および右上部羽根７８の末端部６６各々も同様に、チャネル中心３４近辺において互いに対向する。左下部羽根８０および右下部羽根８２は、下部チャネル６２を覆う障壁５８をより良く形成するため、チャネル中心３４近辺において接触する。左上部羽根７６と右上部羽根７８との間にギャップ８４が存在してもよいが、左上部羽根７６および右上部羽根７８もまた、チャネル中心６２近辺において接触する。このギャップ８４は、障壁５８内の穴部６４として機能する。また、左上部羽根７６がチャネル中心３４近辺において右下部羽根８２に対向するように、またその逆も可能なように、上部羽根６８および下部羽根７０が交互に交代できる。また、対向するフィン側壁２６における上部羽根６８および下部羽根７０の配置が、互いに関連する特定の序列ではなくランダムであってもよい。
【００３５】
羽根５０により画定される穴部６４は、通常、羽根５０同士が交差する位置に配置される。穴部６４は、一つのフィン側壁２６に沿った上部羽根６８と下部羽根７０とが接触する位置、およびフィン２０同士がチャネル中心３４近辺において接触する位置に存在する。例えば、左上部羽根７６、右上部羽根７８、左下部羽根８０および右下部羽根８２の全てが、略同一の位置において実質的に接触する場合には、穴部６４において３つ以上の羽根５０が接触することが特に一般的である。例えば、左上部羽根７６および右上部羽根７８が、チャネル中心３４近辺において接触しない場合には、穴部６４は長くなり得る。
【００３６】
穴部６４のサイズは、閉じられた領域の形成において障壁５８の効果が弱くなる程度には大きくなり過ぎないことが好ましい。障壁５８により形成された閉じられた領域、２つの隣り合うフィン２０、および管本体の外面１４は、沸騰効率を顕著に大きくするような、液体の過熱および核沸騰を促進する。しかしながら、一部の穴部６４は、蒸気が放出し、かつ液体が閉じられた領域に入るように、穴部６４のサイズが小さくなり過ぎないように設計される。穴部６４は、０．２平方ミリメートルよりも小さいことが好ましく、０．０１平方ミリメートルから０．２平方ミリメートルまでの範囲であることがより好ましい。穴部６４が大き過ぎると羽根５０は障壁５８として機能せずに、沸騰効率が顕著に低下する。実際、穴部６４が大き過ぎると、羽根５０は単にチャネル３２内に突き出るだけであり障壁５８を形成しない。穴部６４のサイズは、蒸発する特定の物質をより良く収容するために変化され得る。このため、管は、特定のユーザまたは物質用に多少カスタマイズされる。特定の物質用に設計される他の構成要素の例として、羽根の高さ５２および隣り合うフィン２０間の間隔が挙げられる。穴部６４が、障壁５８の領域の約１０％よりも大きい割合を有しないことが好ましい。
【００３７】
上部チャネル６０は、底部における障壁５８およびどちらか一方のフィン側壁２６により画定される。上部チャネル６０は、液体が上部チャネル６０から外部へ、かつ上部チャネル内に自由に流れるように上端部が比較的に開かれるため、開かれることが検討されて構成される。上端部は、液体の自由な流れを可能にするのにより適した、より大きな穴部を含むことができるが、上部チャネル６０の上端部における一部に突起が形成され得る。くぼみ３６における台４４は、障壁５８を形成しないが、上部チャネル６０にわたる突起を形成する。上部チャネル６０の上端部は、連続的な開口または液体がそこを通って流れることが可能な程度に少なくとも十分に大きい穴部６４を含む。上部チャネル６０の上端部は、ソリッド構造によって約５０％のみが固定され、そして、上部チャネル６０内に０．２平方ミリメートルよりも大きな開口が形成されることが好ましい。
【００３８】
障壁５８は、チャネル３２を上部チャネル６０と下部チャネル６２とに分割する。下部チャネル６２は、蒸発に好適なように設計され、そして、上部チャネル６０は、凝縮に好適なように設計される。下部チャネル６２は、顕著に凝縮を妨げることはなくある程度有益となり得る。上部チャネル６０は、顕著に蒸発を妨げることはなくある程度有益となり得る。このことにより、蒸発と凝縮との両方の段階を移行するのに効果的なフィン付き管１０が提供される。
チャネルマーク
【００３９】
チャネルマーク８６は、フィンチャネル３２内において管本体の外面１４に形成される。チャネルマーク８６は、通常、管本体の外面１４に画定された凹部である。チャネルマーク８６は、連続的または断続的である。連続的なチャネルマーク８６は、通常、フィンチャネル３２内における管１０の周囲において円周状に形成された溝の一形状であり、そして、断続的なチャネルマーク８６は、フィンチャネル３２内に画定された複数の目立たないくぼみである。チャネルマーク８６は断続的に示される。チャネルマーク８６は、チャネルライン８８を画定するように通常は一列に配置される。チャネルライン８８は、フィンチャネル３２もしくはフィンベース２２とほぼ平行となるか、またはチャネル３２内において曲がりくねる。チャネルライン８８は、チャネルマーク８６の列によって画定される。
【００４０】
一つのフィンチャネル３２内に、一つのチャネルライン８８または複数のチャネルライン８８が存在できる。チャネルライン８８は、チャネル中心３４上、またはその近辺に配置されて、フィンベース２２近辺のチャネル中心３４をオフセットするか、またはその間における任意の位置に配置される。２つ以上のチャネルライン８８が存在し、かつチャネルマーク８６が断続的である場合には、チャネルマーク８６は、同時に存在するか、または交換可能である。チャネルマーク８６が同時に存在する場合には、図示するように、互いに対向して一列に配置される。チャネルマーク８６が交換可能である場合には、一つのチャネルライン８８内のチャネルマーク８６が、同一のフィンチャネル３２内の別のチャネルライン８８のチャネルマーク８６とは対向せずに、一列に配置される。
【００４１】
チャネルマーク８６は、種々の形状を有し得る。それらは、正方形、長方形、台形、多角形、三角形、または大抵の任意の他の形状となり得る。チャネルマーク８６は、蒸発用の核形成部位として機能する。また、凝縮用の核形成部位としても機能する。鋭角および尖った角のチャネルマーク８６は、蒸発中における泡が発生し始める際に不備となる。また、尖った角または鋭角のチャネルマーク８６は、凝縮液用の蓄積場所を提供するため液滴の形成を促進する。また、チャネルマーク８６は、伝熱を促進するように表面積を大きくする。チャネルマーク８６は、管本体１２内に延在し得て、それ故、それらが管本体１２の厚みを減少することによって管１０の強度を低下させる。それ故、チャネルマーク８６およびチャネルライン８８は、フィンベース２２近辺における管本体１２の厚みが大きい位置に配置される。
内面リッジ
【００４２】
管１０を通じる伝熱は、管本体の内面１６と管１０内の液体との間をより効率良く伝熱することによって改善する。より迅速な伝熱を促進するために、管本体の内面１６にリッジ９０が画定される。内面１６のリッジ９０は、通常は螺旋状であり、深部９２およびある個体数を有する。個体数は、定められた距離内におけるリッジ９０の数である。また、リッジ９０は、管の軸に対する異なる切断角度において固定され得る。深部９２およびリッジ９０の個体数は変更可能であり、切断角度は、冷却液が管内１０を渦巻くことが可能なように定められる。冷却液内のかき混ぜ量を大きくすることにより、渦巻く液体が伝熱を促進する。
管形成プロセス
【００４３】
フィン付き管１０は、この業界で公知となっている管フィン付け機械を備えた関連する平滑管１０から通常は形成される。管フィン付け機械は、連続する参照図１、図２および図３と共に、図５に示すようにアーバー９４を含む。管フィン付け機械は、しばしば管１０の周囲に配置される３つ以上のアーバー９４を含む。このため、管１０は、アーバー９４により適当な位置に保持される。アーバー９４は、各々が他を補完するように配置され、角度を付けられる。管は、管壁９６がアーバー９４と内部サポート９８との間に配置されるように、フィン付け機械を通じて提供および供給される。アーバー９４は、管の外面１４を変形させ、内部サポート９８が管の内面１６を変形する。アーバー９４は、ツールの容器の形状として機能し、実際、種々のツールまたはディスクを保持し、そして、ツールは、管の外面１４に接触してそれを形作る。通常、管壁９６は、アーバー９４に関連して回転し、それが回転するときに内部サポート９６と共に軸方向を動く。
【００４４】
アーバー９４は、管の外面１４における一つ以上の螺旋状のフィン２０を形成するために、通常、連続して管壁９６を変形するいくつかのフィン形成ディスク１００を含む。連続するフィン付けディスク１００は、フィン２０がフィン付けディスク１００によって形成および上方に押し出されるように、管壁９６内に深く突き進む。フィン２０が管の外面１４に形成されるときに、螺旋状のリッジ９０が管の内面１６において形成されるように、内部サポート９８は凹部１０２を含む。
【００４５】
フィン付けディスク１００がフィン２０を形成した後に、最終的な管１０の態様を変形および画定するために、種々の他のディスクがアーバー９４にさらに備えられる。これらの他の残りのディスクは、所望に応じて含まれるか、または除去される。フィン付けディスク１００に続いて、隣り合うフィン２０により画定されたチャネル３２にチャネルマーク８６を形成するために、チャネルマークディスク１０４が用いられる。チャネルマークディスク１０４の次に、フィンベース２２とフィン上端部２４との間におけるフィン側面２８に羽根５０を形成するために、一つ以上の羽根形成ディスク１０６が用いられる。羽根形成ディスク１０６は、後に下部羽根７０となる羽根５０を形成する。羽根形成ディスク１０６の次に、上部チャネル６０および下部チャネル６２を形成する障壁５８を画定する交換可能な上部羽根６８および下部羽根をフィン側壁２６が含むように、一つ以上の羽根くぼみディスク１０８が上部羽根６８を形成する。次に、くぼみ形成ディスク１１０がアーバー９４に取り付けられる。くぼみ形成ディスク１１０は、フィン上端部２４にくぼみ３６を形成する。この方法では、元の関連する平滑管１０における種々の変形が実現される。同様の結果を達成できる他の順序、並びにディスクおよびツールの設計が適用される。
管の恩恵
【００４６】
記述された管１０は、蒸発管および凝縮管の両方として用いられるのに効率が良い。管１０は、他の目的にも用いられ得るが、凝縮用および蒸発用の２つの部分から構成される管１０として有益である。所定の熱ポンプ等の伝熱における一部の適用においては、液体の蒸発および蒸気の凝縮用に連続して用いられる熱交換器が要求される。大抵の蒸発管用の通常の設計は、大抵の凝縮管用の設計とは異なり、逆もまたそうである。このため、双方の機能を有する管は有益である。管１０の外面は、通常は管１０の内部を流れる液体である冷却媒体または熱媒体を用いて、通常、相転移に利用される。
【００４７】
管内を通って流れる冷却液を用いて、外面１４における蒸気を凝縮させる場合に、上部チャネル６０が最も有益となる。外面１４は、表面積を大きくするためにフィン２０を有しており、また種々の角度および鋭い角を有するため凝縮が促進される。これらの角度および鋭い角が、凝縮液を液滴にするような表面張力を有する領域を提供する。これらの液滴は、形成されるとより迅速に管１０に落ち込むため、管１０は、より迅速に凝縮液を噴出する。管１０から流出または落下する液滴の効率を改善するように、フィン２０の間における上部チャネル６０および下部チャネル６２の両方が、凝縮液の流れを促進する。また、これにより、本発明は凝縮液を噴出する機能を改善する。
【００４８】
フィン２０、羽根５０、くぼみ３６、台４４、およびチャネルマーク７０の全ては、管の外面１４における表面積を大きくする。熱は管の表面の至るところを移動するため、より大きな表面積により、伝熱効率が改善される。したがって、表面積を大きくするような管の外面１４における任意の変形が、伝熱効率を改善する。
【００４９】
蒸発には下部チャネル６２が最も有益であるが、上部チャネル６０の表面積および鋭い角もまた有益である。液体は、障壁５８、隣り合うフィン２０、および管本体の外面１４によって画定された閉じられた領域において過熱される。閉じられた領域の大きな表面積は、満たされた液体における比較的に小さい容積を囲むため、閉じられた液体にはかなりの熱が迅速に伝わる。これにより、閉じられた液体が過熱および沸騰する。また、チャネルマーク８６が液体の沸騰をさらに促進するような、閉じられた領域における核形成部位として機能する。
【００５０】
液体は、障壁５８における穴部６４を通って下部チャネル６２の閉じられた領域に入る。液体は蒸発するときに体積が膨張し、そして、穴部６４から外に出た蒸気を圧力が押し進める。放出した蒸気は、プロセスを繰り返すためにより多くの液体を引き込む低い圧力を、下部チャネル６２および閉じられた領域に残す。下部チャネル６２全体が蒸発用の閉じられた領域として機能するために、蒸気および液体を通過させるように、障壁５８の全長に沿った一定の間隔において穴部６４が配置されることが好ましい。穴部６４が一定の間隔において障壁５８を通らない場合には、管１０の蒸発効率を制限するために、蒸発する前の液体が下部チャネル６２の一部を流れないようにすることができる。交換可能な上部羽根６８および下部羽根７０は、多数の羽根の交点を提供する。これにより、障壁５８の全長に沿った穴部６４用の多くの位置を提供し、そして、管１０の蒸発効率を促進する。
【００５１】
上部チャネル６０における角度および急な部分が沸騰用の核形成部位として機能し、そして、大きな表面積が液体への伝熱を促進する。このため、上部チャネル６０は、蒸発プロセスを促進する。上部チャネル６０は閉じられた領域を有しないため、下部チャネル６２と同程度の蒸発効率は有しないが、蒸発プロセスを妨げることはない。
【００５２】
リッジ７４が冷却液の乱流および渦巻きを引き起こすため、管の内面１６もまた伝熱を促進する。乱流および渦巻きは、層流を最小限にする混合を引き起こし、また、管の内面１６に直接に隣接する流体層の深部を最小化する。リッジ７４はまた、伝熱を促進するように、内面１６の表面積を大きくする。より多いリッジの個体数および／またはより大きなリッジ深部７６は、伝熱効率を改善するが、また、より多いリッジの個体数および／またはより深いリッジ７４は、管１０を通る冷却液の流れに対する抵抗を大きくする。冷却液の流量の減少により伝熱が遅くなる。それ故、最高の伝熱条件のためのバランスが取り決められる。
例示的な外形寸法
【００５３】
本発明の少なくとも一つの実施形態に関する概念を与えるために下記に例示的な外形寸法が記述されるが、本発明における外形寸法は変化し得る。
【００５４】
フィン間の距離は、２つの隣り合うフィン２０の中心点間の距離であり、そして、この距離は、０．３ミリメートルから０．７ミリメートルまでの範囲となり得る。
【００５５】
フィン２０は、フィンの厚さとして言及される、羽根５０の上方における厚さを有する。そして、この厚さは、０．０５ミリメートルから０．３ミリメートルまでの範囲となり得る。
【００５６】
フィン５０は、フィンがくぼみ３６を有する場合に、フィンベース２２から、先端部４２から測定されるフィン上端部２４までとして測定された高さを有する。そして、フィンの高さは、０．５ミリメートルから１．５ミリメートルまでの範囲となり得る。
【００５７】
羽根５０は、管本体の外面１４から羽根の上面５４までとして測定される高さ５２を有する。０．０２ミリメートルから０．２ミリメートルまでの範囲である上部羽根６８と下部羽根７０との間の羽根の高さ５２における差異を含んで、下部羽根の高さ５２は、０．１５ミリメートルから０．５ミリメートルまでの範囲となり得て、上部羽根の高さ５２は、０．２ミリメートルから０．６ミリメートルまでの範囲となり得る。
【００５８】
チャネルマーク７０は、いくつかの外形寸法を有する。それらは、管１０の周囲に沿って測定された全長を有する。この全長は、０．１ミリメートルから１ミリメートルまでの範囲となり得る。チャネルマーク７０は、管１０の軸に沿って測定された全幅を有する。この全幅は、０．１ミリメートルから０．５ミリメートルまでの範囲となり得る。また、チャネルマーク７０は、０．０１ミリメートルから０．２ミリメートルまでの範囲となり得る深部を有する。
【００５９】
フィン上端部２４に形成されたくぼみ３６は、０．１ミリメートルから０．５ミリメートルまでの範囲において変化し得る深部４０を有する。そして、くぼみ３６は、０．１ミリメートルから１ミリメートルまでの範囲において変化し得る幅を有する。
【００６０】
管本体の内面１６に形成されたリッジ７４は高さを有する。そして、この高さは、０．１ミリメートルから０．５ミリメートルまでの範囲となり得る。軸に対する内部のリッジ角は４６度に固定され得て、そして、リッジスタートは、８から５０までの範囲において変化し得る。
【００６１】
羽根ベース５６に沿って管１０の周囲において測定された上部羽根６８の幅は、０．１ミリメートルから１ミリメートルまでの範囲になり得て、また、下部羽根７０の幅は、０．１ミリメートルから１ミリメートルまでの範囲になり得る。
【００６２】
障壁５８において画定された穴部６４は、０．０１平方ミリメートルから０．２平方ミリメートルまでの範囲における領域を有し得る。
【００６３】
本発明が、限定された数の実施形態に関して記述される一方で、この開示の恩恵を有する当業者は、本明細書に開示された本発明の範囲から逸脱しない変更が他の実施形態にされ得ることを理解する。従って、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ制限される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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